诸葛亮 VS 庞统，拿下分布式 Paxos

前言‍

分布式确实是一个有趣的话题，只要你留心观察，分布式在生活中无处不在。

前两讲主要是讲解分布式理论，涉及到了分布式的四大理论。详见如下文章：

拜占庭将军问题：用三国杀讲分布式算法，舒适了吧？

BASE、CAP、ACID：用太极拳讲分布式理论，真舒服！

从这篇开始，将会讲解分布式的八大协议/算法。本篇主要讲解 Paxos 共识算法。

本文主要内容如下：

Paxos 算法

Paxos 是分布式算法中的老大哥，可以说 Paxos 是分布式共识的代名词。最常用的分布式共识算法都是基于它改进。比如 Raft 算法（后面也会介绍）。所以学习分布式算法必须先学习 Paxos 算法。

Paxos 算法主要包含两个部分：

• Basic Paxos 算法：多个节点之间如何就某个值达成共识。（这个值我们称作提案 Value）
• Multi-Paxos 算法：执行多个 Basic Paxos 实例，就一系列值达成共识。

Basic Paxos 算法是 Multi-Paxos 思想的核心，Multi 的意思就是多次，也就是说多执行几次 Basic Paxos 算法。所以 Basic Paxos 算法是重中之重。

三国中的 Paxos

三国中刘备集团，有两大军师：诸葛亮和庞统，都是非常厉害的人物，当他们有不同作战计划给多名武将时，如何达成一致？

角色

Paxos 中有三种角色：提议者、接受者、学习者。

让我们用更通俗的方式来讲解 Paxos 算法。让我们穿越回东汉末年，刘备集团的帐营中一同学习 Paxos 算法是怎么攻打曹操的。

刘备的帐营中人物介绍：

• 主公一名：刘备，作为请求方或客户端。

• 军师两名：诸葛亮、庞统，作为提议者。

• 武将三名：关羽、张飞、赵云，作为接受者。

• 文臣两名：法正、马良，作为学习者。

提议者（Proposer）

• 提议一个值，用于投票表决。
• 接入和协调，收到客户端的请求后，可以发起二阶段提交，进行共识协商。
• 映射到上面的故事中，军师就是用来部署作战计划的。

接受者（Acceptor）

• 对每个提议的值进行投票，并存储接受的值。

• 投票协商和存储数据，对提议的值进行投票，并接受达成共识的值，存储保存。

• 映射到上面的故事中，武将就是用来接受军师的作战计划。

• 其实，集群中所有的节点都在扮演接受者的角色，参与共识协商，并接受和存储数据。

学习者（Learner）

• 被告知投票的结果，接受达成共识的值，存储数据，

• 不参与投票的过程，即不参与共识协商。

• 映射到上面的故事中，就是两名文臣作为记录作战方案的备胎。

接受者 or 提议者

为什么说节点可以扮演接受者，也可以扮演提议者呢？

上篇我在讲解 BASE 协议的时候，讲到二阶段提交协议。其中有一个协调者的身份，协调者既可以是接受者，也可以是提议者。

• 作为接受者，接收客户端的消息。比如诸葛亮需要接收刘备的作战要求。
• 作为提议者，发起二阶段提交。然后这个节点和另外其他节点作为接受者进行共识协商。比如诸葛亮要汇总最终的作战计划给刘备。

如下图所示，节点 1 作为提议者和接受者，节点 2 和节点 3 作为接受者。

诸葛亮 VS 庞统

三国中有刘备集团（占据西蜀）、曹操集团（占据北边）、孙权集团（占据江南）。

诸葛亮和庞统作为提议者，向三个接受者进作战计划的提案。提案中有两个属性：

• 提案编号，每次军师进行提案，都会有个编号，这里用 n 表示。
• 提议值，也就是作战计划，这里用 v 表示。所以提案就是 [n, v]。

诸葛亮的作战计划是从北边进攻曹操，庞统的作战计划是从南边进攻曹操，而关羽、张飞、赵云先后收到了他们的作战计划，该听谁的呢？这里就是一个共识的问题。而 Paxos 算法达成共识分两个阶段。准备（Prepare）阶段和接受（Accept）阶段。

准备阶段

诸葛亮和庞统作为提议者，分别向所有的接受者（关羽、张飞、赵云）发送包含作战计划编号（提案编号）的准备请求，但不包含作战计划（提案值）。

发送准备请求

• 提议者诸葛亮先发送编号为 1 的作战计划的准备请求，庞统发送编号为 2 的作战计划的准备请求。

• 接受者关羽（节点 X）在8 点收到来自诸葛亮发送的作战计划准备请求，在10 点 收到来自庞统发送的作战计划准备请求。

• 接受者张飞（节点 Y）在9 点收到来自诸葛亮发送的作战计划准备请求，在 11 点 收到来自庞统发送的作战计划准备请求。

• 接受者赵云（节点 Z）在 12 点 收到来自庞统发送的作战计划准备请求，在13 点收到来自诸葛亮发送的作战计划准备请求。

注意：准备阶段不需要携带具体的作战计划，所以作战计划可以为空，但是提议编号必须有。

收到准备请求（第一次）

按照接受请求的时间顺序，关羽和张飞收到诸葛亮的请求[1，空]，赵云收到庞统的请求[2，空]。

因为关羽、张飞之前没有收到提案，所以返回一个尚无提案的响应。也就是告诉诸葛亮，不会再响应编号小于等于 1 的准备请求了，也不会通过编号小于 1 的提案。响应的时间点是 14 点和 15 点。

而赵云之前也没有收到提案，所以返回一个尚无提案的响应。也就是告诉庞统，不会再响应编号小于等于 2 的准备请求了，也不会通过编号小于 2 的提案。响应的时间点是 16 点。

收到准备请求（第二次）

而对于庞统的准备请求，关羽、张飞收到编号为 2 的准备请求，而 编号 2 大于之前接受到的编号 1 ，而且关羽和张飞没有通过任何提案，所以还是会返回给庞统一个尚无提案 的响应。也就是告诉庞统不会再响应编号小于等于 2 的准备请求了，也不会通过编号小于 2 的提案。响应的时间点是 14 点和 15 点。

而赵云最后收到诸葛亮编号为 1 的准备请求后，因编号 1小于之前响应的准备请求的提案编号 2，所以直接丢弃该准备请求，不做响应，如上图的 ❌ 图示。

接受阶段

发送接受请求

诸葛亮和庞统收到准备响应后，会分别发送接受请求，如下图所示：

诸葛亮收到大多数接受者（关羽和张飞）的准备响应后，根据响应中提案编号最大的提案的值，设置接受请求中的值。因为关羽和张飞返回的准备响应都是尚无提案，所以还是发送提案编号为 1，提案值为北的接受请求，北代表从北边进攻曹操。发送的时间点是 15 点过 1 分、16 点。

为什么是 15 点过 1 分？ 因为只要满足大多数接受者的准备请求后，就可以发送接受请求了。关羽和张飞响应的时间点是 14 点和 15 点，所以 15 点以后就可以发送了。

而庞统收到大多数接受者（关羽、张飞和赵云）的准备响应后，根据响应中提案编号最大的提案的值，，设置接受请求中的值。因为关羽、张飞和赵云返回的准备响应都是尚无提案，所以还是发送提案编号为 2，提案值为南的接受请求，南代表从南边进攻曹操。发送的时间点是 18 点、19 点、20 点。

收到接受请求

当关羽、张飞、赵云收到诸葛亮和庞统的接受请求后，会进行如下处理，如下图所示：

关羽、张飞、赵云收到诸葛亮发送的提案 [1，北]时候，因为提案编号 1小于他们承诺的能通过的提案的最小提案编号 2，所以诸葛亮的提案被拒绝了。

而当他们收到庞统的发送的提案 [2，南] 的时候，因为编号 2 不小于之前承诺的编号 2，所以通过庞统的提案 [2，南] ，所以关羽、张飞、赵云他们的作战计划是从南边进攻曹操。达成了共识。

学习者登场

当接受者通过了一个提案时，就通知所有的学习者。当学习者发现大多数的接受者都通过了某个提案，那么学习者也会通过该提案，接受该提案的值。

也就是说关羽、张飞、赵云达成了共识后，学习者法正和马良也同样通过从南边进攻的作战计划。

总结

• Basic Paxos 也是通过二阶段提交协议达成共识。准备阶段、接受阶段。不知道二阶段提交协议的，可以看我前面的文章。《用太极拳讲分布式理论，舒服！》

• Basic Paxos 不仅仅实现了共识，还实现了容错。有少于一半的节点出现故障时，集群也能正常工作。文中也多次强调了大多数节点都同意的原则，而这个原则赋予了 Basic Paxos 容错的能力。

• 提案编号代表优先级，保证了三个承诺：

• 如果准备请求的提案编号，小于等于接受者已经响应的准备请求的提案编号，那么接受者将承诺不响应这个准备请求。
• 如果接受请求中的提案的提案编号，小于接受者已经响应的准备请求的提案，那么接受者将承诺不通过这个提案。
• 如果接受者之前有通过提案，那么接受者将承诺，会在准备请求的响应中，包含已经通过的最大编号的提案信息。

加分题

如果关羽和张飞已经通过了提案 [2，南]，而赵云还未通过任何提案，当第三名军师简雍提出一个提案，编号为 8，作战计划为从东边进攻曹操，也就是 [8, 东]的作战计划，那么最终关羽、张飞、赵云的作战计划是怎么样的？